《冷凝核化過程的團簇演化機制及反射光譜特性》是依託大連理工大學,由蘭忠擔任醒目負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：冷凝核化過程的團簇演化機制及反射光譜特性
- 依託單位：大連理工大學
- 項目類別：面上項目
- 項目負責人：蘭忠
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
探索壁面凝結系統中，蒸汽分子靠近具有特定微觀結構的冷凝壁面、聚集形成團簇體、核化形成初始液滴並開始生長的微觀過程機制，是研究壁面微觀結構影響凝結換熱過程機理的鑰匙，也是完善凝結基礎理論的重要組成部分。項目擬通過凝結過程壁面反射光譜的理論分析和實驗研究，結合熱力學分析和數值模擬，進一步定量描述蒸汽分子團聚成核的初始冷凝物理圖景，並揭示壁面微觀結構影響冷凝成核過程的微觀機制。研究中，建立結構表面凝聚相分布特徵與反射光譜特徵關聯模型，通過初始冷凝過程反射光譜演化實驗數據對冷凝過程中的團簇及微小液滴分布特徵進行分析；通過熱力學模型計算和數值模擬，獲得特定條件下的團簇尺寸分布理論預測值，並與反射光譜分析結果對比，從而定量描述初始冷凝階段團簇及微小液滴的尺寸分布及演化特徵；在此基礎上，通過壁面反射光譜特性實驗分析壁面微觀結構對核化過程的影響，以及由此產生的對冷凝傳熱過程的影響，探索傳熱強化的新機制。
結題摘要
冷凝成核過程，團簇和初始液滴演化過程尺度為納米量級，其微觀機制的研究較為困難而缺乏。項目藉助反射、紅外和散射光譜等光學分析方法，結合分子動力學模擬，以及瞬態團簇尺寸分布和成核速率模型的改進，揭示了界面能量和結構效應對團簇生長速率、核化位點空間分布以及初始液滴潤濕形態等的影響，在此基礎上獲得通過微觀結構實現氣相分子團簇的快速核化、液滴潤濕模式調控和液滴輸運的作用機制。研究揭示了凝結過程水分子首先在近壁面形成團簇的物理機制，發現並測量了一定壁面物理化學結構及工藝條件下近壁區團簇的分布特徵，及壁面結構影響團簇成核的規律，豐富了凝結過程的微觀機制和理論；此外，團簇具有近壁富集特性，離開壁面發生泯滅，15 K過冷度下近壁面氣相水分子團簇的壽命約為0.1毫秒，同時還發現氣相懸浮顆粒，或氣相中的過飽和等因素，也將影響均相/非均相的團簇核化特性，這些為霧霾理論或除塵技術等提供理論支持。此外，研究表明團簇影響成核，進而影響成核後微小液滴分布演化特性，團簇及微小液滴尺寸分布(CSD)迅速從單調遞減式分布向單峰分布轉變，並呈現近似常態分配特徵，並且通過改變壁面能量分布，如親疏水分割表面以及含高能顆粒的混合表面，可以對成核位點空間分布和核化點密度進行調控，這為功能調控表面設計提供理論支持。對於壁面特徵對團簇，以及成核與小液滴演化影響的研究，表明了溝穴和溝槽結構有效降低液滴形成過程所需克服的Gibbs自由能壘，某些微納米結構甚至有效促進團簇向成核液滴的轉化。加上一些表面結構對小液滴演化和遷移過程的影響規律的研究結果，為多尺度凝結過程調控提供理論支持，相關的實驗現象和物理機制還可套用於潤濕模式和微系統中的液滴調控等領域。 項目研究很好完成了任務書所列研究內容，並發表相關論文15篇，培養/聯合培養碩士研究生7名，博士研究生3名，發表專利3篇。
